Солнечные Батареи Солнечная батарея — один из

Солнечные Батареи

Солнечная батарея — один из генераторов так называемых альтернативных видов энергии, превращающих солнечное электромагнитное излучение в электричество. Является объектом исследования гелиоэнергетики (гелио… (греч. Ήλιος, Helios солнце). Производство солнечных батарей развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях.

Использование • Солнечные батареи используются очень широко в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крыши жилых зданий для нагрева воды, получения электричества. В перспективе они, вероятно, будут применятся для подзарядки автомобилей. • На один квадратный метр приходится около 1000 ватт солнечной энергии. С помощью наиболее распространённых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с КПД 9 -14%. При этом цена батареи составит около 3 долл. за Ватт. • Сообщается, что в отдельных лабораториях получены солнечные элементы с КПД 44%. В 2007 году появилась информация, о изобретении российскими учёными (г. Дубна) элементов с КПД 54%.

Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи • Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка Кельвинов и Тсолнца ~ 6000 К их предельный теоретический КПД >90 %. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 40 %, а его увеличение до 50 % представляется вполне реальным.

Физический принцип работы солнечных батарей • Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. • Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p- n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов. • Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с: • отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя, • прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём, • рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов, • рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в объёме ФЭП, • внутренним сопротивлением преобразователя.

Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся: • использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны; • направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей; • переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам; оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др. ); • применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации; • разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения; • создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр. ;

Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.

В системах преобразования энергии СЭС (солнечных электростанций) в принципе могут быть использованы любые созданные и разрабатываемые в настоящее время типы ФЭП различной структуры на базе разнообразных полупроводниковых материалов, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам: • высокая надёжность при длительном (десятки лет!) ресурсе работы; • доступность исходных материалов в достаточном для изготовления элементов системы преобразования количестве и возможность организации их массового производства; • приемлемые с точки зрения сроков окупаемости энергозатраты на создание системы преобразования; • минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом; • удобство техобслуживания.

• В качестве наиболее вероятных материалов для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СЭС в настоящее время рассматривается кремний и арсенид галлия (Ga. As), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой Al. Ga. As- Ga. As. • Гетероструктурные СЭ на основе Ga. As имеют более высокий КПД, чем кремниевые (монокристаллические и особенно — аморфного кремния). КПД арсенид-галлиевых солнечных батарей доходит до 35 -40%. Их максимальная рабочая температура — до +150 о. С, в отличии от + 70 С — у кремниевых батарей. • Их теоретический КПД выше, так как ширина запрещённой зоны у них практически совпадает с оптимальной шириной запрещённой зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии 1, 4 э. В. У кремниевых этот показатель 1, 1 э. В.